Графен (graphene)
Структура
По аналогии с однослойными углеродными нанотрубками для характеристики структуры границы графена используется угол хиральности, который определяется как угол ориентации линии границы графена относительно линии, составленной шестиугольниками, стоящими на вершинах и граничащими друг с другом.
Графен (graphene)
Структура
Среди таких структур выделяются зигзагообразная (zig- zag) и кресельная (armchair) структуры, для которых угол хиральности составляет 0° и 30° соответственно.
Возможны промежуточные структуры, для которых угол хиральности находится в интервале между указанными значениями. Индивидуальный графен может обладать границами различной структуры.
В зависимости от метода синтеза, температуры и других условий, поверхность графена содержит структурные дефекты. Структурные дефекты изменяют электронный и фононный спектр графена, являясь центрами рассеяния для фононов и электронов.
Графен (graphene)
Структура: дефекты
В результате присоединения атома, радикала или функцио- нальной группы к поверхности графена образуется адсорбат- ный дефект. Дефекты Стоуна-Уэльса соответствуют замене пары шестиугольников парой пятиугольник-семиугольник. Вакансионный дефект соответствует отсутствию атома углерода в гексагональной решётке графена.
Графен (graphene)
Структура: дефекты
Поскольку все перечисленные дефекты приводят, как правило, к изменению расстояний между атомами в гексагональной ячейке графена, то это вызывает искажение его плоской структуры.
Графен (graphene)
Структура: дефекты
Наряду с рассмотренными дефектами в образцах графена могут существовать дефекты, образованные в результате замещения атомов углерода в структуре, а также дефекты дислокационного типа, которые проявляются в смещении фрагментов графенового слоя друг относительно друга.
Графен (graphene)
Электронная конфигурация
Атом углерода в исходном основном состоянии имеет 2s-, 2p- электрона, которые перераспределяются до устойчивого состояния 2s12p3.
Графен (graphene)
Электронная конфигурация
В графене смешивание одной s- и двух p-орбиталей
приводит к sp2-гибридизации и формированию трех равноценных орбиталей, расположенных в одной плоскости под углом 120°. Гибридные орбитали вытянуты в одну сторону от ядра в большей степени, чем в другую. Химические связи с участием гибридных орбиталей обладают бóльшей прочностью, чем связи с участием
негибридных («чистых») орбиталей. При перекрывании sp орбиталей, расположенных вдоль одной оси, образуются σ-связи. Механические свойства графена определяются жесткостью этой связи. При sp2-гибридизации остается одна негибридная pz-орбиталь, направленная перпендикулярно плоскости. pz-орбитали различных атомов гибридизируются
с образованием π связей, которые ответственны за необычные электронные свойства поверхности графена.
Графен (graphene)
Методы получения
•Микромеханическое расслоение графита
•Жидкофазное расслоение графита
•Окисление графита
•Химическое осаждение из газовой фазы
•Получение в электрической дуге
•Термическое разложение SiC
•Эпитаксиальное выращивание на металлической поверхности
Графен (graphene)
Методы получения. Микромеханическое расслоение графита
Впервые образцы графена были выделены в результате микромеханического расщепления кристаллического графита. Графеновые листы отделяются от кристаллического графита либо в результате трения небольших кристалликов графита друг о друга, либо с помощью липкой ленты, последующее растворение которой в кислоте приводит к получению индивидуальных графеновых слоев. Подобный подход позволяет выделять однослойные листы графена, обладающие упорядоченной структурой и имеющие порядка 10 мкм в ширину и порядка 100 мкм в длину.
Графен (graphene)
Методы получения. Микромеханическое расслоение графита
Основная проблема, возникающая при получении листов графена микромеханическим методом, связана с трудностью их идентификации. Процедура микромеханического отделения листов графена от кристаллического графита напоминает процесс написания текста с помощью карандаша. При этом в результате микромеханического воздействия образуется значительное количество фрагментов, представляющих собой образцы графена с различным числом слоев (от одного до сотни).